AFE芯片系列介绍---ADBMS1818/LTC6813

前言

ADI公司推出第四代18节电池AFE芯片 ADBMS1818和LTC6813。两款产品唯一的区别是应用市场领域。LTC6813适用于汽车/工业应用。它的额定温度范围更广，符合 AEC-Q100 标准。具有更好的TME规格。ADBMS1818主要应用在储能、备用电源、高功率便携设备等领域，和LTC6813相比 ADBMS1818拥有更实惠的价格优势。小Q以ADBMS1818为例详细介绍一下。

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一、参数概要

1、ADI部分系列产品介绍

2、ADBMS1818介绍

（1）ADBMS1818是一款多单元电池堆监控器，可测量多达18个串联连接的电池单元

（2）总测量误差小于3.0 mV。具有0 V至5V的电池测量范围，适合大多数电池化学应用。可在290 μs内测量所有18个电池单元，并选择较低的数据采集速率以便降噪。

（3）支持多个ADBMS1818器件串联，以便同时监测很长的高压电池串。

（4）ADBMS1818具有针对每个电池单元的被动式平衡和个别PWM占空比控制功能。200mA 的被动电池均衡能力。

（5）其他特性包括一个板载5 V调节器、九个通用I/O线路

（6）温度或其他传感器输入，16位Δ-Σ ADC，带可编程三阶噪声滤波器，最高600A的电流采样能力。

（7）ADBMS1818有一个isoSPI™接口，用于进行不受RF干扰的远距离高速通信。多个器件以菊花链形式连接，并为所有器件连接一个主机处理器。该菊花链可双向操作，即使通信路径出错，也能确保通信完整性。

（8）低功耗睡眠模式（在此模式下，功耗降至6 μA）

二、功能介绍

1、 休眠激活功能

激活逻辑

芯片唤醒包括isoSPI唤醒和内核唤醒，当内核处于SLEEP状态时，芯片收到唤醒信号后，需要最长400us (tWAKE )才能正常工作；需要注意的是当N个ADBMS1818使用菊花链连接配置时，内核唤醒时间为N*tWAKE，而isoSPI唤醒时间则为N*tREADY。

菊花链上开始传输信号时，内核则根据对应的指令进入相应状态；如果内核在STANDBY状态下接收到ADC命令，需要先唤醒基准源，内核最长需要4.4ms（ tREFUP  ）时间进入MEASURE状态并打开基准电源，当ADC命令执行完成后，基准下电，内核再次进入STANDBY状态；所以这种状态下每次ADC命令需要重新唤醒基准源，再进行采样。为了节省时间，内核唤醒后将基准源打开，将寄存器REFON位置1进入REFUP状态，当内核在REFUP状态下收到ADC命令时，内核可以马上切换到MEASURE状态，不需要额外等待；ADC命令执行完成后再返回到REFUP状态。

休眠逻辑

当芯片刚上电时，内核处于STANDBY状态，在2秒（tSLEEP）内如果没有收到有效命令，看门狗定时器超时，内核进入SLEEP状态；

在EXTENDED BALANCING和DTM MEASURE状态下，收到唤醒命令，内核将返回到STANDBY状态；在DCTO设置时间内没有收到任何命令，放电定时器超时，内核返回到SLEEP状态。

休眠均衡

EXTENDED BALANCING状态主要用于休眠均衡，启动该功能需要使用放电定时器，放电定时器由DTEN引脚使能（上拉到VREG），定时时间由配置寄存器组A中的DCTO配置；

DTM MEASURE状态用于监控休眠均衡下的电芯电压，通过置位配置寄存器组B中的DTMEN位使能该功能，内核将在EXTENDED BALANCING状态下每隔30秒进入DTM MEASURE状态，测量各电芯电压，如果低于配置寄存器组A中VUV设置的电压值，则会关闭该通道的均衡；

isoSPI Port状态图

isoSPI在最长6.7ms(tIDLE )内没有收到有效命令则会进入IDLE状态。

当内核处于非SLEEP状态时，只需要唤醒菊花链，唤醒时间为10us(tREADY )。差分唤醒电压(VWAKE), 唤醒检测之前的VWAKE驻留时间(tDWELL) = 240 ns，VWAKE > 200 mV

菊花链上开始传输信号时，isoSPI进入ACTIVE状态，

菊花链激活

ADBMS1818准备好进行通信后，会在端口B上发送一个长+1脉冲。在菊花链配置中，此脉冲唤醒堆叠中的下一个器件，进而唤醒下一个器件。如果堆叠中有N个器件，则所有器件将在此时间内上电：N × tWAKE 或 N × tREADY，具体取决于内核状态。对于较大堆叠，时间N × tWAKE可能等于或大于 tIDLE。在这种情况下，等待时间超过N × tWAKE的时间之后，主机可以再发送一个虚拟字节并等待N × tREADY的时间，以确保所有器件都处于READY状态。当菊花链上的所有器件都处于IDLE状态时，可以使用方法1，确保器件沿着菊花链传播唤醒信号。但是，当链中间的器件处于READY状态而不是IDLE状态时，此方法将无法唤醒所有器件。发生这种情况时，处于READY状态的器件不会传播唤醒脉冲，因此位于其上方的器件将保持IDLE状态。当仅经过tIDLE的IDLE时间便尝试唤醒菊花链时，可能会出现这种情况（有些器件可能处于IDLE状态，而有些器件可能不处于IDLE状态）。

另外一种激活方法是不依赖于内置的唤醒脉冲，而是手动多次发送isoSPI信号以唤醒整个菊花链。每个器件至少需要一对长的isoSPI脉冲（–1和+1），间隔大于 tREADY 或 tWAKE （如果内核状态分为STANDBY模式或SLEEP模式），但小于tIDLE。这样，每个器件都会唤醒并将下一个脉冲传播到下一个器件。即使链中的某些器件未处于IDLE状态，此方法也有效。在实践中，实施方法2要求变换（LTC6820的或ISOMD = 0的底部ADBMS1818的）CSB引脚以生成长isoSPI脉冲。或者，可以执行伪命令（例如RDCFGA）来生成长isoSPI脉冲。

2、采集模块

采集模式

ADBMS1818有3个同步运行的ADC, 每个转换周期可以测量3个电池单元. 测量18个电池单元时，三个ADC同时工作。只有一个ADC用来测量通用输入。除了3个ADC数字滤波器之外，还有冗余的第4个滤波器。ADBMS1818 内部采样ADC提供不同的ADC模式，以便应对不同的外部应用工况：

采集模式选择

（1） 基于采样速率和精度的考虑，推荐 7KHz 的 ADC 模式ADC 有比较好的精度和比较低的总测量误差

（2） 如果在实际应用场景有更低的频率噪声，可以选择 1KHz 甚至 422Hz，更低的带宽，但会增加 ADC 转换时间

（3） 如果基于采集数据的多少选择快速模式，可以选择27 kHz（快速），在这种模式下，ADC具有最大吞吐量，但TME有所增加。速度的提高来自于OSR的降低。这将导致噪声和平均测量误差增加。

电压计算

ADBMS1818内部的ADC量程约为–0.82 V至+5.73V。负读数四舍五入为0 V。数据格式为16位无符号整数，LSB表示100μV。因此，读数0x80E8（十进制33,000）表示测量值为3.3 V

3、均衡功能

被动均衡

内部放电MOSFET可以支持200 mA的平衡电流（若芯片温度超过85°C，则为80 mA）。平衡电流能力独立于电池电压。以免芯片过热。当使用内部放电开关对电池放电时，必须监控芯片温度。对于需要超过200 mA的平衡电流或较大电池滤波器，S输出可用来控制外部晶体管。ADBMS1818包含一个内部上拉PMOS晶体管和一个1 kΩ串联电阻。S引脚可用作数字输出，适合驱动外部MOSFET。PMOS可以用PNP代替。使用PNP时，必须减小基极串联电阻值。

均衡PWM功能

用于电池平衡的S引脚脉冲宽度调制为了进一步控制电池放电，主机可以将S引脚配置为PWM进行操作。看门狗定时器未计时终止时，配置寄存器组中的DCC位直接控制S引脚。在看门狗定时器计时终止之后，PWM操作开始，并在所选放电时间的剩余时间里继续操作，或者直到发生唤醒事件（且看门狗定时器被复位）。在PWM操作期间，必须将DCC位设置为1才能使PWM特性有效。一旦PWM操作开始，PWM寄存器中的配置就会导致部分或所有S引脚周期性地置为无效，以实现所需的占空比，

放电过程中均衡

如果系统在放电(DCP)位为1时，检测电池电压信息，则在电池电压测量期间S引脚放电状态不会改变。如果DCP位为0，则在测量对应电池或相邻电池时，将禁用S引脚放电状态。如果使用外部放电晶体管，则ADBMS1818内部PMOS晶体管的相对较低的1 kΩ阻抗可使放电电流在电池测量之前完全关闭。

在某些情况下，由于放电自动放电晶体管的关断速度不够快，电池的电压还处于波动过程中，会存在测量误差。为了在放电过程中获得最佳测量精度，必须使用静音（MUTE）和取消静音(UNMUTE)命令。发出ADCV命令之前，可以发出静音命令暂时禁用所有放电晶体管。电池转换完成后，可以发送取消静音命令以重新使能先前导通的所有放电晶体管。使用这种方法可以最大程度地提高测量精度，而时间损失非常小。

4、保护功能

放电计时期间可以使能监视特性。当电池电压达到可编程欠压阈值时，电池平衡可以自动终止。

开路检查（ADOW命令）

ADOW命令用于检查ADBMS1818的ADC与外部电池之间是否有开路。此命令与ADCV命令相同，对C引脚输入执行ADC转换，但在测量两个C引脚时，两个内部电流源会向其提供电流或吸收电流。ADOW命令的上拉(PUP)位决定电流源是提供还是吸收100μA电流。

过压和欠压保护

每当测量C输入时，就会将结果与存储器中存储的欠压和过压阈值进行比较。如果电池的读数高于过压限值，则会设置存储器中的一个标志位。同样，低于欠压限值的测量结果也会导致设置标志。过压和欠压阈值存储在配置寄存器组A中。这些标志存储在状态寄存器组B和辅助寄存器组D中。

5、测量功能

电源测量保护功能

ADSTAT命令用于测量模拟电源(VREG)和数字电源(VREGD)。模拟电源测量(VA)的16位ADC值存储在状态寄存器组A中。数字电源测量(VD)的16位ADC值存储在状态寄存器组B中。根据VA和VD可计算电源测量结果：

       模拟电源测量(VREG) = VA × 100 μV

       数字电源测量(VREGD) = VD × 100 μV

VREG的值由外部元件决定。VREG须在4.5 V至5.5 V之间以保持高精度。VREGD的值由内部元件确定。VREGD的正常范围是2.7 V至3.6V

总压测量

所有电池之和(SC)是C18与C0之间的电压，衰减率为30:1。所有电池测量结果之和的16位ADC值存储在状态寄存器组A中。C0和V–引脚之间的电位差导致SC测量误差等于该差值。根据SC值，所有电池电压之和测量结果由下式给出：

                Vpack = SC × 30 × 100μV

单体电压测量

电流测量

ADCVAX 命令将18个电池测量与2个GPIO测量（GPIO1和GPIO2）结合在一起。当电流传感器连接到GPIO1或GPIO2输入时，此命令可简化电池电压和电流测量的同步。图58显示了ADCVAX命令的时序。有关ADCVAX命令格式，参见命令部分。快速模式下电流和电压测量的同步时间tSKEW1在194μs以内。图表显示了不同模式下ADCVAX命令的转换和同步时间。该命令的总转换时间由t8C决定

温度测量

负温度系数(NTC)热敏电阻的典型偏置电路。25°C时10 kΩ是最常用的传感器值，VREF2输出级为直接给多个此类探头提供偏置电流而设计。选择该偏置电阻应与NTC值相对应，因此该电路在25°C时提供1.5 V电压（VREF2为3 V标称值）。在典型电池温度范围内，总电路响应约为–1％/°C，

ADSTAT命令可以测量芯片内部温度(ITMP)。ITMP的16位ADC值存储在状态寄存器组A中。使用下式从ITMP计算实际芯片温度

               Tdie = ITMP * (100μV/7.6mV)   

6、菊花链通信

通信方式

ADBMS1818 芯片提供4线 SPI 接口，能直接和 MCU 单片机连接通信，同时提供 isoSPI 2线接口，并需要 LTC6820 桥接芯片转为 SPI 接口再和 MCU 单片机连接。ADBMS1818 需要接收唤醒信号之后才能正常通信。

（1）如果 pin 脚 SIOMD 拉低，Port A为 SPI 模式，CSB 低有效信号会唤醒 SPI 接口

（2） 如果 ISOMD 拉高，Port A为 isoSPI 模式，IPA-IMA（或者IPB-IMB）的差分有效信号会唤醒 isoSPI 接口。ADBMS1818  在 tWAKE or tREADY 时间内 isoSPI 状态变为 READY，能进行通信

菊花链介绍

4线式串行外设接口(SPI)物理层将ISOMD连接到V–可将串行端口A配置为4线式SPI。SDO引脚是开漏输出，要将一个上拉电阻连接到适当的电源电压

2线接口使用简单双绞线电缆与ADBMS1818器件互连。该接口针对低包差错率而设计，（当电缆受到高RF场影响的情况）。隔离是通过外部变压器实现的。标准SPI信号编码为差分脉冲。发射脉冲的强度和接收器的阈值电平由两个外部电阻设置。电阻阻值的选择允许用户用在功耗和噪声的抗扰度之间平衡。2V基准电压驱动IBIAS引脚。外部电阻RB1和RB2产生基准电流IB。该电流设置发送器的驱动强度。RB1和RB2还构成一个分压器，为ICMP引脚提供2V基准电压的一部分。接收器电路阈值是ICMP引脚电压的一半。详细可见后文硬件设计部分。

菊花链拓扑

只需要一个ADBMS1818时，如果正确偏置并端接第二个isoSPI端口（端口B），则ADBMS1818可用作单个（非菊花链式）器件，如图81和图82所示。ICMP不能与GND相连，但可以直接连接到IBIAS。IBIAS需要一个偏置电阻（2 kΩ至20 kΩ）。请勿将IBIAS直接绑定到VREG或V–。最后，必须将IPB和IMB端接到一个100Ω电阻（不连接到VREG或V–）。

菊花链时序

两个ADBMS1818器件可以通过隔离势垒来回发送和接收差分脉冲进行通信。发送器可以输出三个电压电平：+VA、0 V 和 –VA。通过负载电阻RM的IPx输出电流和IMx吸收电流产生正输出。IPx输出电流和IMx输出电流产生负电压。当两路输出均关闭时，负载电阻强制差分输出为0 V。为了消除直流信号成分并增强可靠性，isoSPI使用两种不同脉冲长度。这样可传输四类脉冲，如表40所示。+1脉冲是一个正脉冲在前，之后是一个负脉冲的脉冲对。–1脉冲是一个负脉冲在前，之后是一个正脉冲的脉冲对。每个脉冲的持续时间定义为t1/2PW，因为每个脉冲是所需对称对的一半。（总isoSPI脉冲持续时间为2×t1/2PW）。接收器设计为检测每种isoSPI脉冲类型。为了正确检测，传入的isoSPI脉冲（CSB或数据）必须满足以下要求：

传入脉冲的t1/2PW > 接收器的 tFILT，并且传入脉冲的tINV < 接收器的 tWNDW

菊花链原理

菊花链拓扑

只需要一个ADBMS1818时，如果正确偏置并端接第二个isoSPI端口（端口B），则ADBMS1818可用作单个（非菊花链式）器件，如图81和图82所示。ICMP不能与GND相连，但可以直接连接到IBIAS。IBIAS需要一个偏置电阻（2 kΩ至20 kΩ）。请勿将IBIAS直接绑定到VREG或V–。最后，必须将IPB和IMB端接到一个100Ω电阻（不连接到VREG或V–）。

菊花链时序

两个ADBMS1818器件可以通过隔离势垒来回发送和接收差分脉冲进行通信。发送器可以输出三个电压电平：+VA、0 V 和 –VA。通过负载电阻RM的IPx输出电流和IMx吸收电流产生正输出。IPx输出电流和IMx输出电流产生负电压。当两路输出均关闭时，负载电阻强制差分输出为0 V。为了消除直流信号成分并增强可靠性，isoSPI使用两种不同脉冲长度。这样可传输四类脉冲，如表40所示。+1脉冲是一个正脉冲在前，之后是一个负脉冲的脉冲对。–1脉冲是一个负脉冲在前，之后是一个正脉冲的脉冲对。每个脉冲的持续时间定义为t1/2PW，因为每个脉冲是所需对称对的一半。（总isoSPI脉冲持续时间为2×t1/2PW）。接收器设计为检测每种isoSPI脉冲类型。为了正确检测，传入的isoSPI脉冲（CSB或数据）必须满足以下要求：

传入脉冲的t1/2PW > 接收器的 tFILT，并且传入脉冲的tINV < 接收器的 tWNDW

菊花链原理

2、均衡电路

3、供电电路

（1）ADBMS1818 的主电源引脚是 5 V (±0.5 V) VREG输入引脚。为了产生 VREG 所需的 5 V 电源，VREG 支持 1 mA 拉电流，DRIVE 引脚可稳定的 5 V 电压。必须选择 NPN 晶体管以在整个温度范围内(>40)具有足够的 Beta 值来提供必要的电源电流

（2）当在isoSPI 通信和 ADC 转换同时进行时，ADBMS1818的 VREG 峰值电流要求接近 35 mA。如果需要 VREG 引脚来支持任何额外负载，则可能需要具有更高 Beta值的晶体管。

（3）对于集电极电源连接，建议使用100Ω、100nF 的RC 解耦网络以保护NP免受瞬态影响。NPN 的发射极使用1µF 旁路电容。避免使用较大电容增加 ADBMS1818 的唤醒时间。必须注意 NPN 的热特性，较高的电压差会产生较大的热量。

菊花链接口电路

（1）为了提高了系统抗扰度，采用差模和共模端接，端接电阻RM必须分成几部分并用电容旁路。

（2）使用共模扼流圈(CMC)来增加对电池线路瞬变引起共模噪声的抑制，或者使用中心抽头变压器还可以增强噪声抗扰性能。中心抽头使用旁路电容可以产生低阻抗路径有利于共模噪声抑制。中心抽头电容小于10nF。

4、变压器选型

（1）使用一个变压器或一对变压器隔离两个isoSPI 端口之间的isoSPI信号。isoSPI信号幅值最高达1.6 V，脉冲宽度为50 ns和150 ns

（2）变压器的初级电感大于60μH，匝数比为1:1。另外，变压器的漏感应小于 2.5μH。如果初级电感过低，脉冲幅度会在一定脉冲周期内下降并衰减，影响50ns和150ns脉冲的下降

（3）评选择并联绕组较小电容的变压器。虽然变压器在低频下具有非常好的CMRR，但在较高频率下，这种抑制会降低，其原因在很大程度上是由于绕组间电容。

（4）典型应用中，ADBMS1818之间的互连菊花链链路应力小于60 V，普通脉冲和局域网(LAN)型变压器就足够了。与LTC6820连接的变压器所需额定电压要高得多。选择高隔离度或增强绝缘型变压器，根据大多数安全标准，1.5kV额定值的变压器应能连续处理230 V电压，3 kV器件可以长期处理1100 V电压，

五、软件设计

ADBMS1818/LTC6813状态信息

ADBMS1818初始化状态

PEC是一个15位循环冗余校验(CRC)值，针对一组寄存器中的所有位按传送顺序计算，使用的初始PEC值为000000000010000，特征多项式为：x15 + x14 + x10 +x8 + x7 + x4 + x3 + 1。

电池电压信息采样

断线检测

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